CN102803736A - 控制系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种控制系统，该控制系统可使用多种方法和设备来识别离心式压缩机中的单个喘振循环的出现。一旦识别了单个喘振循环的出现，所述控制系统可采取补救行动(例如通过调整可变几何扩压器的位置)来响应于所述喘振循环，以及使所述离心式压缩机回复至稳定运行。

Description

控制系统
相关申请的相互参引
本申请要求于2009年6月5日提交的名称为“METHOD ANDAPPARATUS FOR SURGE DETECTION”的美国临时申请No.61/184,551的优先权和利益，该美国临时申请以参引的方式被纳入本文。
背景
本申请总体涉及一种用于压缩机的控制系统。更具体地，本申请涉及一种检测压缩机的不稳定性并且提供对该不稳定性的补救从而使该压缩机返回至稳定运行状态的系统和方法。
离心式压缩机在运行期间可能遇到不稳定性，例如喘振(surge)或失速(stall)。喘振是一种具有压力振荡和流动振荡的瞬变现象，并且可在整个压缩机中导致完全的倒流。喘振(如果未被控制)可造成压缩机的旋转部件和静止部件中的过度振动，并且可导致压缩机永久性的损坏。一种校正喘振状况的技术可涉及打开热气旁通阀，以使压缩机的一部分排出气体返回至该压缩机入口，从而增加压缩机入口处的流动。相反，失速或旋转失速是一种在压缩机的一个或多个部件中的局部流动分离，并且可使得排出压力扰动(disturbance)处于小于压缩机的叶轮的旋转频率的基本频率。固定速度的离心式压缩机中的旋转失速主要位于压缩机的扩压器中，并且可通过可变几何扩压器(VGD)来补救。压缩机的旋转失速的存在可能是即将发生的喘振状况的前兆。
用于离心式压缩机的VGD可包括在扩压器间隙中可移动的环，该环是压缩机的排出通道的一部分。VGD可在收缩位置至伸展位置之间移动该环，其中在所述收缩位置中，该环完全处于该扩压器间隙之外，以允许最大气流，以及其中在所述伸展位置中，该环占据该扩压器间隙的一部分，从而限制一部分气流。所述环可响应于检测到该离心式压缩机中的失速状况而移动，以补救该失速状况。
一种用于检测和控制离心式压缩机的扩压器区域中的旋转失速的方法包括：使用一种放在该压缩机排出通道或该扩压器中的压力换能器，来测量存在的声音压力或声压。经由模拟技术或数字技术对来自该压力换能器的信号进行过滤和处理，以确定旋转失速的存在或可能性。通过将由已测量的排出压力脉冲或脉动所计算的能量与对应于失速的存在的预定阈值量进行比较，来检测旋转失速。该VGD的环可被插入该扩压器间隙中，以减小压力脉冲水平以及补救该失速状况。
然而，对于离心式压缩机的运行范围的一部分，该压缩机可能喘振，而不出现在先的失速状况，尤其当该压缩机以低速运行时。当该压缩机直接进入喘振状况时，该压缩机的控制系统没有机会感测前兆的失速状况。因此，该压缩机的控制系统不能发起对失速状况的校正行动，以可能地避免喘振状况的发生。用于处理压缩机中的喘振状况的控制系统的其他方面要求所述控制系统识别喘振状况，并且以预定顺序进行反应。为了控制系统识别喘振状况，必须在一预定时段内出现一个或多个喘振循环，之后该控制系统才可能采取校正行动。校正步骤还可能要求与其他系统控制装置相互作用，以保持所要求的总体系统的运行状况。
因而，需要一种用于检测喘振状况的系统和方法，其不需要确定失速状态的存在或者不需要等待一个或多个喘振循环。
发明内容
本发明旨在一种运行离心式压缩机的方法。该方法包括：测量该离心式压缩机的轴远离一预定位置的位移的幅度；以及将测量的幅度与一预定阈值幅度进行比较。该预定阈值幅度对应于在该离心式压缩机的稳定运行期间该轴远离该预定位置的位移的幅度。该方法还包括：根据测量的幅度大于该预定阈值幅度来指示喘振状况的前兆；以及根据指示的前兆来调整该离心式压缩机的运行参数，从而补救该喘振状况。
本发明还旨在一种运行离心式压缩机的第二方法。该方法包括：测量电流；以及将测量的电流与一预定阈值电流进行比较。该预定阈值电流对应于在该离心式压缩机的稳定运行期间所出现的电流。该方法还包括：根据测量的电流小于该预定阈值电流来指示喘振状况的前兆；以及根据指示的前兆来调整该离心式压缩机的运行参数，从而补救该喘振状况。
本发明还旨在一种离心式压缩机。该离心式压缩机包括：叶轮；可变几何扩压器，与该叶轮的输出流体连通；以及，电动机，通过一个轴被连接至该叶轮。该离心式压缩机还包括：传感器；以及，控制面板，以控制该电动机和该可变几何扩压器的运行。该传感器被配置和定位，以测量与电流或轴位置中的一个有关的运行参数。该控制面板被配置为接收来自该传感器的、对应于该测量的运行参数的信号，并且被配置为基于从该传感器接收的信号来确定喘振状况的前兆是否存在，并且根据喘振状况存在的前兆来采取补救行动。
本发明旨在一种运行离心式压缩机的第三方法。该方法包括：测量离心式压缩机的运行参数；以及处理该测量的运行参数，以去除任何额外的信息。该运行参数选自排出压力、压缩机振动和声能。该方法还包括：将测量的运行参数与一预定值进行比较；以及根据该测量的操作参数大于该预定值来指示喘振状况的前兆。该预定值对应于在该离心式压缩机的稳定运行期间所出现的运行参数的值。该方法还包括：根据指示的前兆来调整该离心式压缩机的可变几何扩压器的位置或该离心式压缩机的速度中的至少一个，从而补救该喘振状况。
附图说明
图1示出了用于暖通空调系统的一个示例实施方案。
图2示出了一种示例蒸气压缩系统的正等轴测图。
图3示意性示出了用于暖通空调系统的一个示例实施方案。
图4示意性示出了一种变速驱动器的一个示例实施方案。
图5示出了压缩机中的可变几何扩压器的一个示例实施方案的局部横截面视图。
图6示出了用于确定一种喘振状况的示例方法。
图7示出了一种示例的随时间衰减的排放压力信号。
图8示出了一种电动机和压缩机叶轮的示例实施方案的横截面视图。
图9示出了在喘振状况之前、期间和之后的轴向的轴位移的一个示例实施方案。
图10示出了在喘振状况之前、期间和之后的电动机电流的一个示例实施方案。
图11示意性示出了位于压缩机轴附近的麦克风或声学传感器的一个示例实施方案。
具体实施方式
图1示出了用在典型商业环境的建筑物12中的暖通空调(HVAC)系统10的一个示例性环境。系统10可包括蒸气压缩系统14，该蒸气压缩系统可以供应可用于冷却建筑物12的冷却液体。系统10可包括：一个锅炉16，以供应可用于给建筑物12供暖的加热液体；以及，一个空气分配系统，其使空气在建筑物12中循环。空气分配系统还可包括一个空气返回管道18、一个空气供应管道20和一个空气处理器22。空气处理器22可包括一个通过导管24连接至锅炉16和蒸气压缩系统14的热交换器。空气处理器22中的热交换器可根据系统10的运行模式接收来自锅炉16的加热液体或来自蒸气压缩系统14的冷却液体。示出的系统10在建筑物12的每一楼层上都带有一个单独的空气处理器，但是应理解，这些部件可在两个或更多个楼层之间共享。
图2和图3示出了可在HVAC系统10中使用的一种示例性蒸气压缩系统14。蒸气压缩系统14可使制冷剂循环通过如下一个回路，该回路从压缩机32开始，并且包括冷凝器34、膨胀阀或装置36和蒸发器或液体冷却装置38。蒸气压缩系统14还可包括控制面板40，该控制面板40可包括模数(A/D)转换器42、微处理器44、非易失性存储器46和接口板48。可用作蒸气压缩系统14中的制冷剂的流体的一些实施例为氢氟碳(HFC)基制冷剂(例如，R-410A、R-407、R-134a)、氢氟烯烃(HFO)、“天然”制冷剂(如，氨(NH3)、R-717、二氧化碳(CO2)、R-744)，或者烃基制冷剂、水蒸气或任何其他合适类型的制冷剂。
与压缩机32一起使用的电动机50可由变速驱动器(VSD)52供电，或者可直接从交流(AC)电源或直流(DC)电源供电。电动机50可包括可由VSD供电或直接从AC电源或DC电源供电的任何类型的电动机。电动机50可以是任何合适的电动机类型，例如开关磁阻电动机、电感电动机或电子整流永磁电动机。在一个替代示例实施方案中，其他驱动机构(例如，蒸气(steam)涡轮或气体涡轮或引擎，以及相关联的部件)可用于驱动压缩机32。
图4示出了VSD的一个示例实施方案。VSD 52从AC电源接收具有特定固定线电压和固定线频率的AC电，并且以期望电压和期望频率将AC电提供至电动机50，所述期望电压和期望频率均可被改变以满足特定需求。VSD 52可具有三个部件：整流器/转换器222、DC链接(DC link)224和逆变器226。整流器(rectifier)/转换器(converter)222将来自AC电源的固定频率、固定幅度的AC电压转换为DC电压。DC链接224对来自转换器222的DC电进行过滤，并且提供能量存储部件，例如电容器和/或电感器。最后，逆变器226将来自DC链接224的DC电压转换为用于电动机50的可变频率、可变幅度的AC电压。
在一个示例实施方案中，整流器/转换器222可以是具有绝缘栅双极晶体管的三相脉冲宽度调制的升压整流器，以提供升高的DC电压给DC链接224，从而获得的VSD 52的最大RMS输出电压，该输出电压大于VSD 52的输入电压。替代地，转换器222可以是不具有电压升高能力的无源二极管或晶闸管整流器。
VSD 52可提供可变幅度的输出电压和可变的频率至电动机50，以允许电动机50响应于特定负载状况而有效运行。控制面板40可提供控制信号至VSD 52，从而对于由控制面板40所接收的特定传感器读数，以适当的运行设置来运行VSD 52和电动机50。例如，控制面板40可提供控制信号至VSD 52，以响应于蒸气压缩系统14中的变化状况来调整由VSD 52所提供的输出电压和输出频率，即，控制面板40可提供指令，以响应于压缩机32上增大或减小的负载状况来增大或减小由VSD 52所提供的输出电压和输出频率。
压缩机32压缩制冷剂蒸气，并且通过排放通道将蒸气传送至冷凝器34。在一个示例实施方案中，压缩机32可以是具有一个或多个压缩级的离心式压缩机。由压缩机32传送至冷凝器34的制冷剂蒸气将热传递至流体(例如，水或空气)。由于与流体的热传递，制冷剂蒸气在冷凝器34中冷凝至制冷剂液体。来自冷凝器34的液体制冷剂流过膨胀装置36至蒸发器38。热气旁通阀(HGBV)134可以被连接在从压缩机排出延伸到压缩机吸入的单独管线上。在图3中示出的一个示例实施方案中，冷凝器34是水冷的，并且包括连接至冷却塔56的管束54。
传送至蒸发器38的液体制冷剂吸收来自另一种流体的热，该另一种流体可以是或者可以不是与用于冷凝器34的流体相同类型的流体，并且经受相变至制冷剂蒸气。在图3中示出的示例实施方案中，蒸发器38包括管束60，该管束60具有连接至冷却负荷62的供应管线60S和返回管线60R。过程流体(例如，水、乙二醇、氯化钙液、氯化钠液，或任何其他合适的液体)经由返回管线60R进入蒸发器38，并且经由供应管线60S离开蒸发器38。蒸发器38降低所述管中的过程流体的温度。蒸发器38中的管束60可包括多个管和多个管束。蒸气制冷剂离开蒸发器38，并且通过吸入管线返回至压缩机32，以完成该回路或循环。在一个示例实施方案中，蒸气压缩系统14可在一个或多个制冷剂回路中使用的变速驱动器(VSD)52、电动机50、压缩机32、冷凝器34、膨胀阀36和/或蒸发器38中的一个或多个。
图5示出了压缩机32的一个示例实施方案的局部横截面视图。压缩机32包括用于压缩制冷剂蒸气的叶轮201。然后，来自叶轮201的压缩蒸气穿过扩压器或VGD 119。VGD 119具有在扩压器盘(plate)206和喷嘴底盘208之间形成的扩压器空间或间隙202，用于制冷剂蒸气穿过。喷嘴底盘208被配置为与扩压环(diffuser ring)210一起使用。扩压环210用于控制穿过扩压器空间或间隙202的制冷剂蒸气的速度。扩压环210可被伸展进入扩压器间隙202中，以增大流过扩压器间隙202的蒸气的速度，并且可从扩压器间隙202缩回，以减小流过扩压器间隙202的蒸气的速度。可使用由致动器驱动的调整机构212使扩压环210伸展进入扩压器间隙202以及从扩压器间隙202缩回。
VGD 119可被定位在基本打开或收缩位置和基本闭合或伸展位置之间的任何位置；在基本打开或收缩位置，制冷剂流基本上在扩压器间隙202中是无阻碍的；在基本闭合或伸展位置，扩压器间隙202中的制冷剂流被限制。在一个示例实施方案中，当VGD 119在闭合位置时，VGD 119不可能完全阻止扩压器间隙202中的制冷剂流。调整机构212可连续移动扩压环210或在分立步骤中递增地移动扩压环210，以打开和闭合扩压器间隙202。在2005年3月29日授权的、名称为“Variable Geometry Diffuser Mechanism”的第6,872,050号美国专利中，提供了一种类型的VGD的运行和部件的更加详细的描述，该专利以参引方式纳入本文。
在一个示例实施方案中，如果压缩机32具有一个以上的压缩级，则VGD 119可被纳入一个或多个压缩级的排放通道中。在另一示例实施方案中，一个以上的VGD 119可被定位在扩压器间隙202中，以控制来自叶轮201的制冷剂流，并且从而控制压缩机32的容量。
在另一示例实施方案中，扩压环210的定位可减少或消除压缩机32中的喘振状况和失速状况，并且当压缩机在部分负载状况下运行时，可提高压缩机32的运行效率。在一个示例实施方案中，使用VGD 119结合用于容量控制的VSD 52可改进压缩机32在部分负载时的效率。
除了A/D转换器42以外，控制面板40可包括数模(D/A)转换器。此外，控制面板40可被连接至或者包括用户接口194，该用户接口194允许操作者与控制面板40进行交互。操作者可通过用户接口194选择和录入用于控制面板40的命令。此外，用户接口194可显示来自控制面板40的、关于蒸气压缩系统14的运行状态的消息和信息。用户接口194可布置在控制面板40本地，例如被安装在蒸气压缩系统14或控制面板40上，或者替代地，用户接口194可离控制面板40远程布置，例如置于与蒸气压缩系统14分离的分立的控制室中。
在控制面板40中，A/D转换器42和/或接口板48可接收来自系统传感器和部件的输入信号，所述系统传感器和部件提供蒸气压缩系统14的运行参数。例如，由控制面板40接收的输入信号可包括从管束60离开的冷却液体温度的温度、蒸发器38和冷凝器34的制冷剂压力、压缩机的排出温度传感器、压缩机的油温度传感器、压缩机油供应压力传感器、VGD位置传感器、以及压缩机排出通道中的声压或声音压力测量值。控制面板40可使用接口板48来将信号传输至蒸气压缩系统14的部件，以控制蒸气压缩系统14的运行，并且与蒸气压缩系统14的各种传感器和控制装置通讯。
控制面板40可执行或使用单个或中央控制算法或控制系统，以控制蒸气压缩系统14(包括压缩机32、VSD 52、冷凝器34和蒸气压缩系统14的其他部件)的运行。在一个实施方案中，控制算法可以是存储在非易失性存储器46中的、具有可由微处理器44执行的一系列指令的计算机程序或软件。尽管该控制算法可被实现在计算机程序中并且可由微处理器44执行，但是本领域普通技术人员应理解，可使用数字和/或模拟硬件来实施和执行该控制算法。如果使用硬件执行该控制算法，则可改变控制面板40的对应配置，从而包括必要的部件以及移除任何可能不再需要的部件。在另一实施方案中，控制面板40可包括多个控制器，每一控制器执行分立功能，且中央控制器确定控制面板40的输出。
在一个示例实施方案中，控制算法可确定响应于特定压缩机状态何时来伸展和收缩VGD 119中的扩压环210，从而保持系统和压缩机的稳定性(压缩机的稳定运行)，出于本申请的目的，所述系统和压缩机的稳定性就是不存在失速和喘振状态。此外，控制面板40可使用控制算法通过响应于特定压缩机状态来控制或调整具有变速驱动器的电动机的速度来调整或控制压缩机的速度，从而保持系统和压缩机的稳定性。此外，控制面板40可使用控制算法响应于特定压缩机状态来打开和闭合HGBV 134(如果存在)，从而保持系统和压缩机的稳定性。
由控制面板40上的微处理器44所执行的中央控制算法可包括容量控制程序或算法，以经由VSD 52来控制电动机50的速度，从而控制压缩机32的速度，进而生成来自压缩机32的期望容量，以满足冷却负载。在一个示例实施方案中，容量控制程序可响应于蒸发器38中的离开冷却液体的温度来自动地确定电动机50和压缩机32的期望速度，该温度是蒸气压缩系统14上冷却负载需求的指示器。在确定了期望速度之后，控制面板40发送或传输控制信号至VSD 52，从而调整电动机50的速度。
容量控制程序可被配置为将蒸气压缩系统14的选定参数保持在预选定的范围内。所述选定参数包括：电动机速度、离开冷却液体的温度、电动机功率输出，以及用于最小压缩机速度和可变几何扩压器位置的反喘振限制。该容量控制程序可采用来自监控多个运行参数的传感器的连续反馈，从而响应于系统冷却负载中的变化来连续地监控和改变电动机50和压缩机32的速度。换句话说，由于蒸气压缩系统14要求额外的或减少的冷却容量，所以蒸气压缩系统14中的压缩机32的运行参数响应于新的冷却容量要求而被相应地更新或改变。为了保持最大运行效率，压缩机32的运行速度可频繁地被容量控制算法所改变或调整。此外，与系统负载要求无关，容量控制程序还可连续地监控制冷剂系统压力差，以优化蒸气压缩系统14中的制冷剂的体积流率，以及使得压缩机32的总效率(resultant efficiency)最大化。
由控制面板40上的微处理器44所执行的中央控制算法可包括多种方法或技术，以确认喘振状况或循环的出现或前兆。用于确认喘振状况或循环的出现或前兆的许多不同的方法和技术使用蒸气压缩系统14中的现有传感器或部件，并且不要求安装额外的传感器或部件。
在一个示例实施方案中，压力换能器或传感器160(参看图3)可被放在用于压缩机32的排出通道中。压力换能器或传感器160可用于直接感测排出压力，并且生成排出压力信号(PD)。该排出压力信号(PD)可出于多个目的(例如，检测失速状况、容量控制和有效压缩机运行)而被控制系统使用。此外，PD值的变化可指示喘振状况开始或在进行中。在一个替代实施方案中，排出压力信号(PD)可被过滤，然后可被分析用于指示喘振状况，例如通过图6中示出的方法。
在图6中，示出了一种用于分析信号(PD)以确定喘振状况的发作或出现的方法。该方法开始于控制面板40接收一个来自传感器160的模拟信号(步骤64)，以及用A/D转换器42将已接收的信号转换为数字信号(步骤66)。在一个替代实施方案中，控制面板40可接收一个来自传感器160的数字信号，从而在继续该方法之前不需要转换该信号。然后通过快速傅里叶变换(FFT)来处理对应于PD的数字信号(步骤68)，所述快速傅里叶变换(FFT)被编程到控制面板40的数字信号处理(DSP)芯片143中。在一个示例实施方案中，DSP 143可被配置为执行任何必要运算或计算(例如，乘法和加法)，以实时地执行FFT。
将FFT应用至来自传感器160的数字化的输入信号生成了多个频率以及对应的幅度，所述幅度可与能量值相关。由于仅特定或预定范围的基本频率可用于喘振状况的检测，所以仅需要分析预定范围的基本频率内的频率。可丢弃或忽略预定范围以外的频率或预定范围以内但与喘振状况不相关联的频率。例如，与压缩机32的运行速度相关联的频率连同相关联的谐波可被移除或被设置为零。同样，与电气功率相关联的频率(例如，60Hz)连同相关联的谐波可被移除或者被设置为零。在一个示例实施方案中，带通滤波器可被应用至来自FFT的输出，以隔离相关频率。在另一实施方案中，带通滤波器可被应用至被执行FFT之前的信号PD，从而允许仅分析有关的特定频率。
在排除多余频率以及不相关的频率之后，分析来自FFT的剩余分量或频率(步骤70)。分析的结果可用于确定喘振状况或喘振状况的前兆是否存在(步骤72)。如果确定存在喘振状况或前兆，则控制系统可启动补救过程或行动(步骤74)，并且该方法结束。然而，如果确定不存在喘振状况，该方法返回至该方法的开始，以使用传感器160来测量压力值。
在一个示例实施方案中，喘振状况或喘振状况的前兆的检测可基于有关频率的幅度的组合或总计，然后将总计值或合成值与限定喘振状况或前兆的阈值相比较。如果合成值大于阈值，则确定存在喘振状况或前兆。阈值可被设置为等于来自FFT分量的总计值或合成值的正常运行值的倍数的值，所述正常运行值即为当不存在喘振状况时来自FFT分量的总计值或合成值的值。用于正常运行的值和阈值依赖于待被分析的信号的强度，以及被应用至该信号以增强信噪比的放大量。在另一实施方案中，可通过确定剩余频谱中的峰值是否超出预定阈值来检测喘振状况或前兆。
在确定喘振的另一示例实施方案中，来自传感器160的信号PD可被分析用于DC分量的减小水平。如图7中所示，来自传感器160的信号PD具有DC分量156和叠加的AC分量158。为了获得DC分量156，AC分量或纹波158可以从信号PD中过滤掉。然后，控制系统计算信号PD的DC分量的RMS值。为了确定喘振状况，该信号的DC分量的RMS值依序与前一RMS值相比较，以确定平均值正在衰减或减小。如果指示为喘振状况，则如上面所讨论的，VGD 119和/或压缩机速度被调整，直至稳定性返回至该系统。
在另一示例实施方案中，可以通过测量压缩机和电动机的轴的轴向和/或径向位移或扰动的幅度来确定喘振状况的前兆或存在。图8示出了在一个示例实施方案中的压缩机32的电动机50和叶轮201的横截面视图。电动机50可包括两个或更多个电磁轴承200。电磁轴承200可位于电动机50的每一末端处，并且可代替常规技术(例如，滚动元件轴承或流体膜轴承)而用于使得电动机50的转子或轴164浮起。电磁轴承200可监控轴164的位置，并且向控制面板40提供位置信息。然后控制面板40可调整供应至电磁轴承200的电流，以将轴164的中心保持在期望位置处或者保持在期望的容限范围内。用于轴164的中心的期望位置可基本上与电磁轴承轴线共轴，或者在可允许的容限内。如在此所使用的，轴164的正常运行还可称为处于中心位置，意味着轴的轴线与轴承轴线重合(或位于可接受的容限内)。
电磁轴承200内的压缩机轴位置的轴向或径向的不稳定的周期轨道、偏差或扰动可用于确定喘振状况的发作或出现。图9示出了在喘振循环(即，稳定压缩机状态经过喘振状况后回至稳定压缩机运行状态)中轴164离中心位置的轴向位移的幅度(微米，μm)。在图9中，稳定压缩机运行出现在区域90中，喘振状况出现在区域92中，从喘振状态的恢复出现在区域94中，以及喘振状况的前兆出现在区域96中。在一个示例实施方案中，喘振状况的前兆对应于压缩机中流动的回流，喘振状况对应于叶轮的自由旋转且没有反向方向上的压缩和流动，以及从喘振状况恢复对应于叶轮又一次开始负载以在正向方向上形成压力上升和流动。
控制系统可分析由电磁轴承200所提供的压缩机轴位置以确定喘振状况的前兆，并且可采取行动来补救该喘振状况，例如通过调整VGD119或增大压缩机32的速度。控制系统可通过确定已测量的轴向轴位移幅度何时大于压缩机稳定运行时的轴向轴位移幅度来识别喘振状况的前兆。
在一个示例实施方案中，已测量的轴向轴位移幅度可以是比正常运行时的轴向轴位移幅度大一预定量，以指示喘振状况的前兆。例如，当已测量的轴向轴位移幅度比正常运行时的轴向轴位移幅度大20μm或大更多时，指示了喘振状况的前兆。在另一示例实施方案中，当已测量的轴向轴位移幅度比正常运行时轴向轴位移幅度大几倍或几个数量级时，指示了喘振状况的前兆。例如，当已测量的轴向轴位移幅度比正常运行时轴向轴位移幅度大约4至约25倍时，指示了喘振状况的前兆。在一个示例实施方案中，执行对径向轴位移幅度的分析，从而类似于轴向轴位移幅度的分析来确定喘振状况的前兆。
在另一示例实施方案中，可以从通过在压缩机轴164旁边放置的位置感测探针162(图8)而非从磁轴承200来获得轴向和径向轴位移幅度测量值。位置感测探针162可向控制面板40提供位移幅度测量值，然后该控制面板40可以分析所述测量值，与分析电磁轴承位移幅度测量值的方式相同。
在另一示例实施方案中，在电磁轴承200中已测量的电流还可用于检测失速或即将出现的喘振状况。如果电流水平超出预定阈值，流过电磁轴承200的电流的增加可指示存在失速或喘振状况。
在另一示例实施方案中，可通过监控用于指示喘振状况的VSD 52中的电动机电流或DC链接电流来检测喘振状况。电动机电流或DC链接电流可通过任何合适的设备来测量和/或监控，并且被提供至控制面板40。图10示出了在喘振循环中的电动机电流(安培，A)，所述喘振循环指的是稳定压缩机状况经过喘振状况后回至稳定运行。在图10中，稳定压缩机运行出现在区域102中，喘振状况和恢复出现在区域104中，以及喘振状况的前兆出现在区域106中。
控制系统可分析该电动机电流以识别喘振状况的前兆，并且可采取行动例如通过调整VGD 119来补救该喘振状况。控制系统可通过确定已测量的电动机电流何时小于压缩机稳定运行时的电动机电流来识别喘振状况的前兆。在一个示例实施方案中，已测量的电动机电流可以比正常运行时的电动机电流小一预定量，以指示喘振状况的前兆。例如，当已测量的电动机电流比正常运行时的电动机电流小约150A至约350A时，指示了喘振状况的前兆。指示喘振状况的前兆所必需的所述电动机电流的特定减少量可基于多种因素(例如，电动机功率和电动机电压)而改变。在另一示例实施方案中，已测量的电动机电流可以是正常运行时的电动机电流的一减少的百分比，以指示喘振状况的前兆。例如，当已测量的电动机电流为正常运行时的电动机电流的约25％至约60％之间时指示了喘振状况的前兆。
接下来参考图11，可使用麦克风或声学传感器166来实施声学感测。麦克风166可以可选地包括一个已调滤波器，从而衰减声学频率而非有关频率(伴随压缩机中的喘振状况的频率)。在另一示例实施方案中，被配置为测量与失速或喘振相关的振动的加速度计(测量加速度的设备)，或者单轴或多轴振动换能器或传感器可被用于感测压缩机的振动和冲击。压缩机(包括轴)的振动生成可被麦克风166检测到的空气传声，并且被用于确定旋转失速或即将到来的喘振状况。
可调节(condition)麦克风166和/或加速度计和/或振动传感器的输出，从而区分与喘振相关的声能和由于其他声音源或振动源而产生的能量。在一个实施方案中，可通过简单地测量频率范围内的能量的量而进行所述调节，所述频率范围包括基本喘振频率及其主谐波。在其他调节方案中，位于喘振相关区域内的、与喘振不相关的一些频率可被感测到且可从所述分析中移除，从而增强检测仅存在喘振状况能量的能力。所述已调节的来自麦克风166和/或加速度计和/或振动传感器的输出信号可以被线性相加为一预定频率(例如，约1kHz)，并且与阈值相比较。如果已调节的输出信号比该阈值量大一预定值(例如，10分贝，dB)，则检测到喘振状况的前兆，以及可采取校正行动来避免失速或即将到来的喘振状况。
在另一示例实施方案中，在叶轮附近的压缩机入口处的流体温度的增加可用于确定喘振状况的前兆，因为在喘振状况期间流过叶轮的温热的冷凝器蒸气的回流使得压缩机入口处的温度升高。动态温度传感器(未示出)可随动态响应时间用来测量进入压缩机的流体温度。
在本申请中所讨论的喘振和前兆检测技术可应用至单级离心式压缩机或多级离心式压缩机。对于多级离心式压缩机，在本申请中所讨论的喘振和前兆检测技术可被应用至第一级、最后一级或者中间级中的一个或多个。
为了补救所检测到的喘振状况或前兆，该控制面板和控制系统可将扩压环插入离心式压缩机的扩压器间隙中。替代地或者此外，控制面板和控制系统可通过变速驱动器大幅增加离心式压缩机的速度(例如，以3Hz、5Hz或7Hz)，来补救所检测到的喘振状况或前兆。
一个示例实施方案涉及为了失速检测在压缩机排出中使用压力换能器，从而也随时间感测与喘振状况相关联的压力变化。通过适当地处理该压力换能器信号，可识别单个喘振的出现或循环，以及控制系统可通过将VGD伸展进入扩压器间隙来作出反应，从而在压缩机的给定运行状态时进行补救以防止其他喘振循环。
另一示例实施方案涉及稳定控制系统，用于保持具有压缩机入口、压缩机出口和带有可调整的流动通道的可变几何扩压器的离心式压缩机的稳定运行。该稳定控制系统具有喘振反应状态，以响应于检测到离心式压缩机中的喘振状况或前兆来调整可变几何扩压器的流动通道。一种感测和检测喘振状况的方法可使用位于压缩机排出管线中的压力换能器，从而将排出压力信号(PD)传递至控制面板。其他感测和检测喘振状况或前兆的方法可使用：压缩机轴的轴向和径向轴移动的测量值；压缩机中的电磁轴承所使用的电流；流过压缩机驱动电动机或VSD的DC链接的电流；来自压缩机或电动机的声音生成(声压或声学波)；或者，压缩机振动。
应理解，本申请不限于下面的描述所陈述的或者附图中所示出的细节或方法。还应理解，本文所采用的措辞和术语仅出于描述的目的，并且不应认为是限制性的。
本申请考虑了方法、系统以及用于完成其运行的、在任何机器可读介质上的程序产品。本申请的实施方案可使用现有的计算机处理器，或者通过用于合适系统的专用计算机处理器，或者通过硬接线系统来实施。
本申请范围内的实施方案包括程序产品，该程序产品包括用于执行或具有机器可执行指令或存储在其上的数据结构的机器可读介质。机器可读介质可以是任何可用的非易失性介质，该非易失性介质可被通用计算机或专用计算机或者具有处理器的其他机器访问。举例而言，机器可读介质可包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储设备、磁盘存储设备或其他磁存储设备，或者可用于执行或存储机器可执行指令或数据结构形式的、可被通用计算机或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的期望程序代码的任何其他介质。当信息经由网络或其他通信连接(硬接线、无线，或硬接线和无线的组合)被传递或提供至一机器时，该机器将该连接看作机器可读介质。上述的组合还可包括在机器可读介质的范围内。机器可读指令包括例如指令和数据，所述指令和数据使得通用计算机、专用计算机或专用处理机器来执行一特定功能或一特定功能组。
尽管本文的附图可能示出了方法步骤的具体次序，但是步骤的次序可不同于所描绘的次序。此外，可同时或者局部同时地执行两个或更多个步骤。步骤性能的变化可取决于所选择的软件和硬件系统，以及取决于设计者选择。所有所述变化都在本申请的范围内。同样，可通过标准编程技术来实现软件实施方案，所述标准编程技术具有基于逻辑的规则和实现各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤的其他逻辑。
重要的是，应注意，在各种示例实施方案中所示出的本申请的结构和布置仅仅是示例性的。尽管在本公开文本中仅详细描述了几个实施方案，但是阅读过本公开文本的技术人员应理解，在实质上不背离本申请中所描述的主题的新颖性和优点的前提下，许多改型(例如，尺寸、维度、结构、形状和各种元件的比例、参数值(例如，温度、压力等)、安装步骤、材料的使用、颜色、取向等的变化)是可能的。例如，示出为整体成型的元件可由多个部分或元件构成，元件的位置可被颠倒或改变，以及分立元件或位置的性质或数目可被更改或改变。因此，所有所述改型旨在被包括在本申请的范围内。根据替代实施方案，任何过程和方法步骤的次序或顺序可被改变或重新排序。在权利要求中，任何装置加功能的条款旨在包括本文所描述的执行所引用的功能的结构，并且不仅在结构上等同而且是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可做出示例实施方案的设计、操作条件和布置的其他替代、改型、改变和省略。因此，本发明不限于具体实施方案，而是扩展至落入随附权利要求范围内的各种变型。
此外，为了努力提供对示例实施方案的精简描述，可能未描述实际实施方式的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或者与实现本发明不相关的那些特征)。应理解，在开发任何所述实际实施方式中，如同在任何工程项目或设计项目中一样，可做出多种实施方式的特定决定。所述开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开内容的本领域普通技术人员来说，不需过度实验，所述开发努力将是一个设计、制作和生产的常规任务。

Claims (20)

1.一种运行离心式压缩机的方法，包括：
测量所述离心式压缩机的轴远离一预定位置的位移的幅度；
将测量的幅度与一预定阈值幅度进行比较，所述预定阈值幅度对应于在所述离心式压缩机的稳定运行期间所述轴远离所述预定位置的位移的幅度；
根据测量的幅度大于所述预定阈值幅度，指示喘振状况的前兆；以及
根据所指示的前兆，调整所述离心式压缩机的运行参数，从而补救所述喘振状况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中测量轴的位移的幅度包括测量所述轴的轴向位移的幅度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中指示喘振状况的前兆包括根据测量的幅度比所述预定阈值幅度大一预定量来指示喘振状况的前兆。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述预定量为约20微米。
5.根据权利要求2所述的方法，其中指示喘振状况的前兆包括根据测量的幅度比所述预定阈值幅度大一预定倍数来指示喘振状况的前兆。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述预定倍数在约4倍和约25倍之间。
7.根据权利要求2所述的方法，其中测量所述轴的轴向位移的幅度包括通过磁轴承或位置感测探针中的至少一个来测量所述轴的轴向位移的幅度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中调整所述离心式压缩机的运行参数包括调整所述离心式压缩机的可变几何扩压器的位置或调整所述离心式压缩机的速度中的至少一个。
9.一种运行离心式压缩机的方法，包括：
测量电流；
将测量的电流与一预定阈值电流进行比较，所述预定阈值电流对应于在所述离心式压缩机的稳定运行期间所出现的电流；
根据测量的电流小于所述预定阈值电流，指示喘振状况的前兆；以及
根据所指示的前兆，调整所述离心式压缩机的运行参数，从而补救所述喘振状况。
10.根据权利要求9所述的方法，其中测量电流包括测量电动机电流。
11.根据权利要求10所述的方法，其中指示喘振状况的前兆包括根据测量的电流比所述预定阈值电流小一预定百分比来指示喘振状况的前兆。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述预定百分比在约25％和约60％之间。
13.根据权利要求10所述的方法，其中指示喘振状况的前兆包括根据测量的电流比所述预定阈值电流小一预定量来指示喘振状况的前兆。
14.根据权利要求9所述的方法，其中调整所述离心式压缩机的运行参数包括调整所述离心式压缩机的可变几何扩压器的位置或调整所述离心式压缩机的速度中的至少一个。
15.根据权利要求9所述的方法，其中测量电流包括测量来自变速驱动器的DC链接电流或测量被提供给所述离心式压缩机中的磁轴承的电流。
16.一种离心式压缩机，包括：
叶轮；
可变几何扩压器，与所述叶轮的输出流体连通；
电动机，通过轴被连接至所述叶轮；
传感器，所述传感器被配置以及定位以测量与电流或轴位置中的一个相关的运行参数；
控制面板，控制所述电动机和所述可变几何扩压器的运行，所述控制面板被配置为接收来自所述传感器的、对应于测量的运行参数的信号；以及
所述控制面板被配置为：基于从所述传感器接收的信号来确定喘振状况的前兆是否存在；以及根据存在喘振状况的前兆，采取补救行动。
17.根据权利要求16所述的离心式压缩机，进一步包括：
变速驱动器，其被连接至电动机，从而为所述电动机供电；以及
至少一个磁轴承，用于使所述轴浮起。
18.根据权利要求17所述的离心式压缩机，其中所述传感器包括下列传感器中的一个：
测量所述轴的轴向位移的传感器；
测量所述轴的径向位移的传感器；
测量通向所述电动机的电流的传感器；
测量通向所述至少一个电磁轴承的电流的传感器；或者
测量所述变速驱动器的DC链接中的电流的传感器。
19.一种运行离心式压缩机的方法，包括：
测量离心式压缩机的运行参数，所述运行参数选自排出压力、压缩机振动和声能；
处理测量的运行参数，以去除任何多余信息；
将测量的运行参数与一预定值相比较，所述预定值对应于在所述离心式压缩机的稳定运行期间出现的运行参数的值；
根据测量的运行参数大于所述预定值，指示喘振状况的前兆；以及
根据指示的前兆，调整所述离心式压缩机的可变几何扩压器的位置或所述离心式压缩机的速度中的至少一个，从而补救所述喘振状况。
20.根据权利要求19所述的方法，其中：
所述测量的运行参数是声能；以及
指示喘振状况的前兆包括根据测量的声能比所述预定值大10分贝来指示喘振状况的前兆。
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